CN116759395A - 一种内嵌htcc微流道的功率器件一体化近结冷却装置 - Google Patents
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Abstract
为了解决传统功率器件远程冷却架构中传导和接触界面多而引起的散热能力差、封装厚度大的问题，本发明提出了一种内嵌HTCC微流道的功率器件一体化近结冷却装置，以高热导率、低热膨胀系数、高结构强度、高介电性能的氮化铝高温共烧陶瓷(HTCC)材料作为散热冷板，兼具功率器件封装基板的机械支撑、电气连接的功能以及冷板的高效液体冷却的功能；冷却液直接通入HTCC基板内部微流道，减少了功率器件到冷却液的热界面和传导路径，同时流道内部增加强化局部散热的平行直肋，肋片大小和排布可调节，降低了功率器件壳温，提升了温度一致性，实现了轻薄化、高热流密度的功率器件近结高效冷却。
Description
技术领域
本发明属于电子器件冷却领域，具体涉及一种内嵌HTCC微流道的功率器件一体化近结冷却装置。
背景技术
近年来功率器件朝着高功耗、高度集成化的方向发展，功率器件的热耗不断增大，体积不断减小，使得其工作时的热流密度成倍增加，实现轻薄化、高热流密度的高效散热已经成为了功率器件进一步推广发展的瓶颈之一；传统功率器件封装一般包括功率器件、基板(如氮化铝高温共烧陶瓷HTCC)、壳体(如铝碳化硅)、冷板(如铝合金)，功率器件产生的热量通过HTCC基板、铝碳化硅壳体传导至冷板，最后通过冷板中的冷却液带走；在这种封装形式下，功率器件到冷却液之间的传热路径存在多层传导热阻和接触热阻，导致冷却效率较低且封装厚度较大；为了提高散热能力，需要尽可能减少传导和接触热阻，即冷却液尽可能靠近功率器件，从远距离冷却向近结冷却发展；
专利CN202021792424.3提出了一种功率器件阵列排布的一体化冷却装置，将冷却液直接通入铝碳化硅壳体，减少了一层冷板结构，提高了散热效率，降低了功率器件壳温；但该专利中仍存在HTCC基板与铝碳化硅壳体之间的传导和接触热阻，难以满足轻薄化、高热流密度功率器件高效冷却需求；
因此，为了进一步提高散热效率并降低整体厚度，需要考虑将冷却液朝着功率器件进一步迈进。氮化铝HTCC具有接近铝碳化硅、金属铝的高热导率，热膨胀系数与铝碳化硅相比更接近于硅，且具有高结构强度和高介电性能，以HTCC材料作为冷板，兼具功率器件封装基板的机械支撑、电气连接的功能以及冷板的高效液体冷却的功能；冷却液直接通入HTCC冷板内部微流道，减少一层封装壳体和一层冷板结构，可以降低传导温升和功率器件壳温。
发明内容
为了解决传统功率器件远程冷却架构中传导和接触界面多而引起的散热能力差、封装厚度大的问题，本发明提出了一种内嵌HTCC微流道的功率器件一体化近结冷却装置，以高热导率、低热膨胀系数、高结构强度、高介电性能的氮化铝高温共烧陶瓷(HTCC)材料作为散热冷板，兼具功率器件封装基板的机械支撑、电气连接的功能以及冷板的高效液体冷却的功能；冷却液直接通入HTCC基板内部微流道，减少了功率器件到冷却液的热界面和传导路径，同时流道内部增加强化局部散热的平行直肋，肋片大小和排布可调节，降低了功率器件壳温，提升了温度一致性，实现了轻薄化、高热流密度的功率器件近结高效冷却。
本发明的一种内嵌HTCC微流道的功率器件一体化近结冷却装置，主要由高热流密度的功率器件(1)和氮化铝高温共烧陶瓷(HTCC)冷板(2)组成。功率器件(1)以阵列方式排布在HTCC冷板(2)上，HTCC冷板(2)既作为功率器件的电路基板，又作为高热导率冷板，在HTCC冷板(2)中内嵌了微流道(4)，功率器件(1)产生的热量直接传到至HTCC冷板(2)，最后被HTCC冷板(2)内部微流道(4)中的冷却液带走。HTCC微流道(4)内部采用平行直肋(5)强化局部对流换热能力，并优化肋片排布进一步降低功率器件壳温并提高温度一致性。该冷却装置仅由功率器件和HTCC冷板组成，结构简单且厚度小，同时HTCC冷板与功率器件的热膨胀系数相近，冷却装置加热后不易变形，具有可靠性高的优点。
功率器件(1)的阵列排布可以设计为多种形式，根据功率器件的阵列排布形式，设计相应的HTCC冷板和微流道.
功率器件(1)通过焊接或高导热胶固定在HTCC冷板(2)上，保证功率器件与HTCC冷板之间的低界面热阻.
HTCC冷板(2)由壳体(3)和盖板(6)两部分组成，壳体和盖板采用常规多层电路叠层高温烧结工艺制备，主要陶瓷成分为高热导率氮化铝粉末，主要导体浆料为钨、钼、钼-锰等高熔点金属.
壳体烧结成型后在一面采用激光去除的方法加工微流道和平行直肋阵列，流道采用局部并联、整体串联的通道，通道截面为矩形，肋片阵列排布与功率器件阵列排布匹配。壳体与盖板通过钎焊等焊接手段装配，壳体和盖板焊接表面均采取研磨、抛光处理，以降低表面平整度，从而保证焊接密封性；
HTCC微流道(4)采用热处理、疏水化、表面改性等表面处理措施，提升氮化铝水解防护能力。
功率器件(1)呈阵列排布，单点热流密度为50W/cm2-300W/cm2。
HTCC冷板(2)边长为20mm-150mm，厚度为0.5mm-3.5mm。
平行直肋(5)宽度为0.1mm-1mm，深宽比1-5。
本发明的有益效果在于
1、内嵌HTCC微流道的近结散热架构，减少了功率器件到冷却液的传导和热接触界面，提高了散热效率。
2、一体化设计省去一层冷板和一层铝碳化硅壳体，冷却装置厚度大幅减小，结构更加简单。
3、采用平行直肋阵列强化局部换热。
4、通过优化肋片排布进一步降低功率器件壳温并提高温度一致性；
5、HTCC微流道和平行直肋采用激光去除的方法加工而成，HTCC冷板壳体和盖板的焊接表面均采取研磨、抛光处理，以降低表面平整度，从而保证焊接密封性。
6、微流道采用热处理、疏水化、表面改性等表面处理措施，提升氮化铝水解防护能力。
7、HTCC冷板与功率器件的热膨胀系数相近，冷却装置加热后不易变形，具有高可靠性。
附图说明
图1为本发明冷却装置结构示意图。
图2为HTCC冷板壳体的结构示意图。
图3为HTCC冷板盖板结构示意图。
图4为冷却装置冷却液流动和传热过程示意图(虚线表示了传热路径，实线表示了冷却液流动方向)。
其中，1为功率器件，2为HTCC冷板，3为HTCC冷板壳体，4为冷却液微流道，5为平行直肋，6为HTCC冷板的盖板，7为微流道冷却液入口，8为微流道冷却液出口。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出的一种内嵌HTCC微流道的功率器件一体化近结冷却装置，结构如图1所示，主要由功率器件1和HTCC冷板2组成，功率器件1通过焊接或高导热胶固定在HTCC冷板2上。功率器件1呈阵列排布形式，阵列排布包括但不限于矩形、圆形或其他形式。
HTCC冷板2的结构如图2、图3所示，HTCC冷板2由HTCC冷板壳体3与HTCC冷板盖板6两部分组成，均采用常规多层电路叠层高温烧结工艺制备，主要陶瓷成分为高热导率氮化铝粉末，主要导体浆料为钨、钼、钼-锰等高熔点金属；HTCC冷板壳体3与HTCC冷板盖板6通过钎焊等焊接手段装配，焊接表面均采取研磨、抛光处理，以降低表面平整度，从而保证焊接密封性。HTCC冷板壳体3内部设置冷却液微流道4，冷却液微流道4采用局部并联、整体串联的通道，通道截面为矩形；为了强化局部对流换热能力，在冷却液微流道4中加装平行直肋5，平行直肋5呈阵列排布，其排布位置与功率器件1的阵列排布形式、热流密度匹配，从而提高功率器件的温度一致性；冷却液微流道4和平行直肋5均通过激光去除的方法加工制备而成；冷却液微流道4在焊接前采用热处理、疏水化、表面改性等表面处理措施，提升氮化铝水解防护能力；HTCC冷板盖板6不含微流道，中间左右两侧各开有微流道冷却液入口7和冷却液出口8。
冷却液流动和传热过程示意如图4所示，功率器件1产生的热量传导至HTCC冷板壳体3，通过对流换热被HTCC冷板壳体3内部的冷却液微流道4中的冷却液带走，冷却液工质为乙二醇-水溶液；冷却液从HTCC冷板盖板6的冷却液入口7进入冷却液微流道4，从微流道冷却液出口8流出冷却液微流道4，在流动过程中冷却液带走功率器件1产生的热量。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种内嵌HTCC微流道的功率器件一体化近结冷却装置，其特征在于：包括功率器件(1)和HTCC冷板(2)，功率器件(1)通过焊接或高导热胶固定在HTCC冷板(2)上；所述HTCC冷板(2)由HTCC冷板壳体(3)和HTCC冷板盖板(6)组成，所述HTCC壳体(3)内嵌冷却液微流道(4)，所述HTCC冷板盖板(6)左右两侧各开有冷却液微流道冷却液入口(7)和冷却液出口(8)；
功率器件(1)产生的热量传导至HTCC冷板壳体(3)，通过对流换热被HTCC冷板壳体(3)内部的冷却液微流道(4)中的冷却液带走，冷却液从HTCC冷板盖板(6)的冷却液入口(7)进入冷却液微流道(4)，从微流道冷却液出口(8)流出冷却液微流道(4)，在流动过程中冷却液走了功率器件1产生的热量。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌HTCC微流道的功率器件一体化近结冷却装置，其特征在于：所述冷却液微流道(4)中还加装有平行直肋(5)，平行直肋(5)呈阵列排布。
3.根据权利要求2所述的一种内嵌HTCC微流道的功率器件一体化近结冷却装置，其特征在于：所述平行直肋(5)宽度为0.1mm-1mm，深宽比1-5。
4.根据权利要求2所述的一种内嵌HTCC微流道的功率器件一体化近结冷却装置，其特征在于：所述冷却液微流道(4)和平行直肋(5)采用激光去除的方式加工而成，冷却液微流道(4)采用局部并联、整体串联的通道，通道截面为矩形，平行直肋(5)的排布与功率器件(1)排布相匹配。
5.根据权利要求1所述的一种内嵌HTCC微流道的功率器件一体化近结冷却装置，其特征在于：所述功率器件(1)呈阵列排布，单点热流密度为50W/cm2-300W/cm2。
6.根据权利要求1所述的一种内嵌HTCC微流道的功率器件一体化近结冷却装置，其特征在于：所述HTCC冷板(2)边长为20mm-150mm，厚度为0.5mm-3.5mm。
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